28. Мускулно съкращение. Съкратителни белтъци на напречно-набраздените мускули. Саркомер. Механизъм и

енергетика на мускулното съкращение.

Еволюцията на мускулната тъкан включва еволюция на двигателния апарат на животните. Функцията му е свързана с

придвижване на целия организъм в пространството, придвижване на отделни части една спрямо друга и поддържане на

определена поза на тялото. След плоските червеи в еволюцията възникват мускулнитe клетки, които при висши

безгръбначни и гръбначни животни са силно удължени и се наричат мускулни влакна (миофибри). Мускулатурата бива

3 типа: гладка, напречно-набраздена и сърцева.

Гладките мускулни влакна при ГЖ са основен елемент от стената на вътрeшните органи; движението е свързано с

взаимодействието на белтъците актин и миозин, двата основни типа микрофиламенти, които образуват малки снопчета.

Особено е, че тя няма добре развит гладък ЕПР (отсъствие на депо за Са2+) и са без миофибрили. Физиологична

особеност на гладките мускулни влакна е тяхната подчертана пластичност. Те са иневрирани от ВНС и се

характеризират със свойството автоматизъм, т.е. способност да се генерират самостоятелни възбудни импулси, от

които да се възбудят.

Напречно-набраздените са най-едрите клетки с двигателна функция. Актиновите и миозиновите филаменти са

подредени в сложна структура – миофибрила. В нейните рамки актиновите и миозиновите филаменти си

взаимодействат много по-специализирано.

Сърцевите мускулни влакна имат миофибрили, те са резултат от диференциацията на гладките мускулни влакна от

стената на кръвоносните съдове. Съкращенията им са аналогични на скелетните мускулни влакна.

Мускулното съкращение на напречнонабраздената мускулна тъкан трябва да може да се извършва бързо и многократно

и да се извършва с достатъчна сила, така че да се осигури преместването на масивни части от тялото една спрямо друга.

Осигуряването на подобна висока ефективност на работа се извършва от комплекс, съставен от протеините актин и

миозин, който се намира във всяка една мускулна клетка. Посредством този комплекс мускулните клетки превръщат

химичната енергия пряко в механична работа.

Напречнонабраздените (волевите) мускули представляват снопове от миофибри. Всяко отделно мускулно влакно

представлява една огромна клетка с дължина до няколко сантиметра, която съдържа стотици ядра. Освен стотиците

ядра, всяка миофибра притежава клетъчна мембрана (сарколема) и протоплазма (саркоплазма), в която се намират

калциеви депа (цистерните на саркоплазматичния ретикулум). Останалата по-голяма част от цитоплазмата на

мускулното влакно е изпълнена с неговия съкратителен апарат - миофибрилите. Миофибрилите са цилиндрични

снопчета от два вида белтъчни нишки – дебели нишки от миозин и тънки нишки от актин. Всяка миофибрила

представлява верига от съкратителни единици, наречени саркомери, които придават набразден вид на волевата

мускулатура.

Във всички случаи на протичане на мускулно съкращение първо възниква потенциал на действие, който се

разпространява и е причина за съкращенията.

Като възбудими клетки, клетките на скелетните мускулни влакна притежават 3 основни свойства: възбудимост,

проводимост и съкратимост.

На молекулно равнище основни участници в съкращението са актина и миозина (двата основни съкратителни белтъка),

двата основни регулаторни белтъка – тропонин и тропомиозин, Ca2+ и АТФ. Съкращението има винаги и следваща го

фаза на отпускане. Отпускането на мускула е пасивен процес, който се дължи основно на еластичната сила и тук

основна роля има белтъкът титин.

В състава на 1 мускулно влакно се съдържат 2000 – 3000 миофибрили. Под ЕМ ясно се вижда разграничаването на по-

тъмни и по-светли участъци в мускулното влакно - изотропни и анизотропни дискове. Всеки анизотропен (А-диск) има

в средата Н–зона, а всеки изотропен (I–диск) има тъмна ивица (Z–линия), която разграничава отделните мономерни

единици, от които е изградена всяка миофибрила (саркомери). Саркомерът включва 1 А–диск и половинките на 2 I–

диска (разстоянието между 2 Z–линии).

Всеки А–диск е изграден от дебели микрофиламенти (миозинови) и части от тънките (актиновите). В рамките на 1 I-

диск има само актинови микрофиламенти. При различните фази се наблюдава следното:

- при съкращаване Z–линиите се приближават и намалява дължината на I–дисковете без промяна на А–дисковете, а

Н–зоната също намалява или напълно изчезва. Това показва само 1 възможен механизъм на взаимодействие между

актиновите и миозиновите микрофиламенти, при което актиновите се плъзгат в дълбочина на А–дисковете.

Миозинът е фибриларен белтък, чиято молекула е конструкция от 2 ППВ, спирално усукани една около друга, с малка

глобулна част в единия край - глава. Двете усукани ППВ са тежки вериги от меромиозин, а около тях до главите има

усукани по две леки вериги. Едната лека верига се нарича есенциална, а другата е регулаторна и служи за свързване на

3 1

2

4

H – зона А – диск I – дискZ – линия

фосфатни йони. Освен основен съкратителен белтък, той е и ензимен белтък, защото около главата на миозиновата

молекула се намира АТФазен ензимен център, т.е. той има АТФазна активност и е единственият ензимно активен

белтък в миофибрилата. Миозиновите молекули могат да полимеризират и да образуват агрегати, в които главите им

остават встрани от свързването (т.е. агрегацията става в областта на опашките). Накрая се получава агрегат, в който в

средата остава зона без глави – дебела миозинова нишка.

Върху всяка глава има два активни центъра: център за свързване с F-актина (ако актинът е достъпен) и свързващ център

за АТФ.

Актинът е глобуларен белтък и той също има способност да агрегира. Неговите молекули се навързват в дълги вериги и

2 вериги се оплитат една около друга спирално – F-актин.

Върху актиновите нишки се свързват много други белтъци, за два от които е доказано, че участват в съкратителния

процес – тропонин и тропомиозин.

Тропомиозинът е фибриларен белтък, разположен в жлеба, образуван от двете вериги актинови молекули. Отделните

молекули са по цялата дължина на актиновия протофиламент.

Тропонинът е глобуларен белтък. Неговите молекули са разположени на равни промеждутъци по цялата дължина на

актиновата нишка, където започват или завършват тропомиозиновите молекули. Т.е. на 7 молекули актин се падат по 1

тропомиозин и по 1 тропонин. Тропонинът има молекула, изградена от 3 субединици (3 къси ППВ) – тропонин С , Т и I.

Тропонин С свързва Са2+, Т пряко контактува с тропомиозина, а I има инхибиращо действие по отношение на

съкратителния процес.

Съкратителният акт се извършва в резултат на взаимодействието на двата основни вида микрофиламенти. Активният

участник в това взаимодействие е миозинът, а актинът – пасивен. Взаимодействието се извършва при определена Са 2+

концентрация в саркоплазмата и при определено равнище на АТФ. При липса на АТФ или при ниска Са 2+ концентрация

взаимодействие не се извършва.

Върху F-актина има центрове за свързване, към които могат да се прикрепят дебелите нишки. При покой тези центрове

са недостъпни и се "откриват" само когато в саркоплазмата се появи свободен калций. "Откриването" на тези центрове

става с участието на тропонина и тропомиозина. В почиващия мускул тропонини T и I се захващат за актина и са

причина тропомиозинът да се разполага така, че да блокира свързващите центрове на актина за главите на миозина.

Когато концентрацията на калций в цитоплазмата се повиши, тропонин C (свързва четири йона калций) кара тропонин I

да се отдели от актина. Това позволява на тропомиозиновата молекула да се върне към своята "обичайна" позиция и да

освободи свързващите центрове на F-актина така, че миозиновите глави да могат да започнат да се "разхождат" по

актиновите нишки – тоест, сега вече тънките и дебелите нишки могат да се свързват (фигура 6).

Са2+ в мускулните влакна са депонирани в цистерните на ЕПР. В тях под действие на активна калциева помпа, Са 2+ се

натрупва в цистерните. При покой Са2+ концентрация е ниска, т.е. Са2+ са недостатъчни, за да се осъществи

взаимодействие между актина и миозина.

Сарколемата образува тръбести образувания, които се спускат между миофибрилите. ПД преминава по сарколемата и

се спуска по тръбичките в дълбочина на мускулното влакно. Мембраната на ЕПР се допира до сарколемата. При

преминаване на импулси се отварят потенциал-зависими Са2+ канали в ЕПР. По градиента Са2+ нахлуват към

миофибрилата – рязко се увеличава [Ca2+] и това води до взаимодействие между актина и миозина. От връзката между

актина и главата на миозиновата молекула последната променя конформацията си, главата се измества и актиновата

нишка се оказва “придърпана”. След това миозиновата глава се освобождава и същият акт се повтаря няколко пъти (5-6

пъти/sec). При всяко взаимодействие това става на ново място и актиновата нишка се издърпва на различно разстояние.

Регулатор на конформационната промяна в главата на миозиновата молекула е АТФ. В покой АЦ на миозиновата

АТФаза е зает от АДФ и Фн. АДФ повишава афинитета на миозиновата глава към актина. Когато се осъществи първият

акт на преместване, АДФ излиза от АЦ и в него влиза АТФ, той понижава афинитета на миозина към актина. Главата

на миозиновата молекула се отделя от актиновата нишка. АТФ се разгражда до АДФ и Фн и се отделя енергия.

Оказалият се в АЦ АДФ повишава афинитета на миозина към актина и се осъществява ново свързване, но на друго,

ново място.

Когато прекъсне действието на дразнителя, всички процеси протичат в обратна посока – няма ПД и това води до

затваряне на потенциал зависимите Са2+ канали в ЕПР. Са2+ помпа бързо събира Са2+, прехвърля ги срещу градиента на

концентрацията в депата. Са2+ между миофибрилите е недостатъчен, освобождава се тропонинът от Са2+ и изходната му

конформация променя и тази на тропомиозина. Той изплува от жлеба на актиновата нишка, при което покрива местата

за които се залавят миозиновите глави, така се предотвратява взаимодействието на двата съкратителни белтъка. Тогава

влиза в действие и белтъкът титин, който променя съкращението в отпускане. Единични титинови молекули свързват

М-линията със Z-диска. Приема се, че функцията на титина е да придържа миозиновите молекули в центъра на

саркомера и да играе ролята на "амортисьор" - да връща саркомера към нормалната му дължина, когато е преразтегнат.

Небулинът е друг белтък, чиито нишки са свързани с актина и се приема, че регулират процеса на сглобяване на

актиновите нишки.

Когато в клетката няма достатъчно АТФ, в каталитичните центрове на миозиновата АТФаза остават молекули АДФ,

които не могат да бъдат подменени от АТФ. АДФ повишава афинитета на миозиновата глава към актиновата молекула

и остават трайно свързани (пр: трупното вкочаняване на скелетните мускули след смъртта).

В механизма на мускулното съкращение се осъществяват енергетични превръщания. В цялостния акт те са в 3 точки:

Na+-K+-помпа; Са2+ помпа в ЕПР и в главите на миозиновите молекули. Енергията за тези процеси се доставя от АТФ.

Миозиновата молекула е единствената в целия комплекс от белтъци и небелтъци в целия механизъм, която има

АТФазна активност. Активният център лежи в близост до главите.

АТФ е продукт на клетъчния метаболизъм. Мускулното влакно е изключително натоварена функционално клетка.

Тя извършва огромна механична работа, за която е нужен доста АТФ. Мускулното влакно има не малко резервен АТФ,

който може да се използва в горепосочените 3 пункта. Но не е достатъчно за продуцирането на мускулната активност

повече от 3 sec. При продължително дразнене мускулните влакна са принудени да осъществяват съкращение, за което е

важно да се осигури енергия. Напречнонабраздените мускулни влакна са богати на кератинфосфат с една макроергична

връзка, който обаче не може да подава енергия за мускулното съкращение. Но участва в специална реакция, в която

фосфорилира АДФ и се получава АТФ, реакция, катализирана от кератинфосфат трансферазата.

За да се увеличи скоростта е нужна висока концентрация на АДФ. При условия на покой не протича. Но когато АТФ се

разгради и се получи АДФ, нараства скоростта на реакцията. КрФ при продължителна мускулна активност (10 – 20 sec)

се изчерпва и ако дразнението продължи, трябват нови източници за АТФ. След това се включват бавни механизми на

енергетично обезпечаване – гликолиза и окислително фосфорилиране. За да протече окислителното фосфорилиране на

достатъчно голямо количество субстрат е нужно към мускула да се засили кръвния ток, за да може да нарасне

кислородната доставка и О2 да премине през митохондриите на скелетните мускулни влакна и да се усили

окислителното фосфорилиране в тях. За да се усили потокът на кислород е нужно да се усили и белодробното дишане,

дифузията на О2 през стената на кръвоносните съдове, увеличаване на кръвното налягане и дифузия на О2 през

мембраната.

Но окислителното фосфорилиране не е бърз доставчик на енергия. По-бърз доставчик е гликолизата. След

изчерпването на КрФ и ако все още има дразнене се увеличава равнището на гликолизата. При нея добивът на АТФ е

малък (с голям разход на глюкоза) и в резултат от нея се натрупва млечна киселина, която е фактор, неблагоприятен за

клетъчните процеси. Това е така, защото в мускулното влакно тя свързва Са2+ и намалява равнището им, а това води до

влошаване на възможността за пълноценно мускулно съкращение. Гликолизата може да осъществи работа за няколко

десетки секунди, но те са достатъчни, за да може през това време да се усили О 2 поток към мускула и да се увеличи

интензитета на окислителното фосфорилиране. Синтезираният от него АТФ е достатъчен да осигури дълго време

съкращението на напречнонабраздената мускулатура.

В началото на мускулното съкращение се разгражда АТФ за няколко секунди. Повишава се равнището на Кр

фосфатазната реакция, която осигурява до 100% и бърз спад (за 15sec). Ако дразнението продължи се усилва

гликолитичното разграждане. И накрая се включва окислителното фосфорилиране.

Мускулите се различават не само в рамките на един организъм, но и в отделните индивиди. Особено големи са

разликите между нетрениран и трениран мускул. Колкото степента на тренираност е по-голяма, толкова по-бързо се

включва окислителното фосфорилиране, защото по-бързо се учестява дишането и нараства обемът на белите дробове,

по-бързо нараства О2 поток. Тренираното сърце по-бързо разнася кръвта към мускула, а това води до намаляване на

времето за гликолиза. Нетренираните мускули стигат до т.нар. мускулна криза. Това е временно намаляване на

трудоспособността на мускула от сравнително продължителна гликолиза.

Мускулната треска е различна от мускулната криза и е резултат от преумора на мускулното влакно, при което

възникват микротравми в краищата на мускулните влакна, в мястото на залавяне за сухожилието.

разграждане на АТФ

разграждане на КрФ

гликолиза

окислително фосфорилиране

Е%

t 10s 20s 30s